水熱處理耦合機械壓濾對剩余污泥的深度脫水性能研究.pdf

1、脫水對剩余污泥的處理與處置具有非常重要的意義，而深度脫水是剩余污泥處置與資源化利用的必經(jīng)之路。然而如何在較低的脫水能耗下實現(xiàn)對剩余污泥的深度脫水已成為污泥處置與利用技術發(fā)展所面臨的難題。為了擺脫剩余污泥深度脫水處理的這種困境，本研究提出了在高溫的狀態(tài)下利用水熱處理耦合機械壓濾的深度脫水方法。
　　高溫下水熱處理耦合機械壓濾是將傳統(tǒng)的機械壓濾脫水和水熱炭化處理在高溫高壓的狀態(tài)下有機地結合起來，從而在較低的脫水能耗下實現(xiàn)對固/液的高效

2、分離。在本研究中，市政脫水剩余污泥首先在獨立的水熱反應單元中進行充分的水熱炭化處理，隨后使產(chǎn)生的水熱污泥在高溫高壓的狀態(tài)下被轉移至機械壓濾脫水單元，并立即在高溫下進行機械壓濾脫水，從而促使剩余污泥中的水分主要以液態(tài)的形式被大量脫除。
　　本研究首先在證實了水熱污泥于高溫狀態(tài)和冷卻至室溫狀態(tài)進行機械壓濾脫水時存在不同的基礎之上，分析了高溫狀態(tài)下的耦合脫水過程的操作條件（水熱溫度、水熱停留時間和機械壓力）對剩余污泥深度脫水特性的影響，

3、并基于Terzaghi-Voigt流變學模型，探討了水熱污泥在高溫壓濾固化脫水過程中的脫水特性。結果表明:水熱污泥在高溫狀態(tài)下立即進行機械壓濾脫水與冷卻至室溫后再進行機械壓濾脫水相比，可使濾餅的最終含水率進一步降低19-47％。水熱處理耦合冷卻后的機械壓濾對剩余污泥的脫水主要取決于機械效應，而在高溫耦合深度脫水過程中，水熱效應則成為了水分脫除的主要貢獻者。加強水熱處理條件（水熱溫度和水熱停留時間）能夠以液態(tài)形式脫除剩余污泥中更多的水分，

4、但單位機械效應對脫水的貢獻隨著機械壓力的提高而逐漸減弱。當水熱溫度高于臨界溫度(120-150℃)時，高溫耦合脫水過程開始對剩余污泥的深度脫水表現(xiàn)出了積極的效應。在180℃下水熱停留30min時，剩余污泥的深度脫水性能即得到了顯著改善。在180-210℃的水熱溫度下，濾餅的最終含水率由52％降低到了20％，相應地，液態(tài)水分脫除百分率則達到了81-93％。在考慮深度脫水程度和脫水效率的條件下，最適宜的耦合脫水條件為:180℃下停留30-6

5、0min耦合2-6MPa下壓濾20min。三階段Terzaghi-Voigt流變學模型擬合結果表明:水熱污泥中的結合水分含量隨著水熱處理條件的強化而逐漸降低。
　　同時，對高溫耦合脫水過程中產(chǎn)物（水熱污泥、污泥炭和濾液）的組成及物化特性進行了分析，揭示了高溫耦合脫水過程對實現(xiàn)剩余污泥深度脫水的基本原理。實驗結果表明:剩余污泥的水熱處理過程主要是一個脫揮發(fā)分的過程，聚合脫水反應是主要的水熱反應機制，脫羧反應只有在更高的水熱溫度(21

6、0℃)下才會顯著發(fā)生。水熱污泥表面特性分析表明:濾餅的最終含水率與水熱污泥的表面電荷(Rp=-0.93，p＜0.05)和相對疏水性（Rp=-0.99，p＜0.05）之間具有顯著的線性負相關性。因此，水熱污泥表面電荷，尤其是表面疏水性的改善是實現(xiàn)剩余污泥深度脫水性能被顯著提高的重要原因。蛋白質、多糖和DNA等生物聚合物的溶解和降解取決于水熱溫度和水熱停留時間，而剩余污泥深度脫水性能的改善與這些生物聚合物（尤其是蛋白質）的演變密切相關。污泥

7、及污泥炭的干基高位熱值與其所含C元素含量之間存在顯著的線性關系。剩余污泥經(jīng)210℃水熱處理60min后，其干基高位熱值略有增加，增幅約為4.8％，而相應水熱污泥經(jīng)6MPa機械壓濾20min后，與剩余污泥相比，其干基高位熱值卻顯著降低，降幅高達15.4％。當水熱溫度高于150℃時，收集到的濾液呈弱酸性，顏色呈茶褐色，這可能是由于濾液中腐殖質含量的增加、多糖的焦糖化以及Maillard反應的發(fā)生所導致的。
　　此外，基于高溫耦合脫水過

8、程中的能量輸入和潛在的能量回收，評估了剩余污泥在高溫耦合深度脫水過程中的能耗水平。計算結果表明:加熱能耗是剩余污泥高溫耦合深度脫水過程的主要能量輸入。當水熱溫度高于120℃時，由于水熱反應熱的釋放，使得潛在回收的能量顯著高于輸入的能量，且提高水熱處理條件并不會導致高溫耦合脫水過程脫水能耗的增加。即使不考慮潛在的能量回收，高溫下水熱處理耦合機械壓濾對剩余污泥的深度脫水過程也可在相對較低的脫水能耗（180℃時僅為732.94kJ·kg-1（

9、水分））下獲得更高含固率(73％)的濾餅。
　　最后，探索了污泥炭和濾液的后續(xù)處置與資源化利用。結果表明:本研究中所采用的市政機械脫水剩余污泥經(jīng)高溫耦合深度脫水處理后，所得污泥炭中雖然含有大量的營養(yǎng)元素（富P），但由于重金屬含量（除Pb）均超過了國家《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284-1984)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中規(guī)定的污泥土地利用時的重金屬含量的極限值，因而不宜作為生物肥料直接

10、進行農(nóng)田土地利用。然而，污泥炭的燃燒活化能卻明顯降低，導致了對燃燒溫度的降低，表現(xiàn)出了良好的燃燒特性，因而可以作為固體燃料進行焚燒處理。在180℃下產(chǎn)生的濾液在厭氧消化過程中表現(xiàn)出了最優(yōu)的產(chǎn)CH4特性，累積CH4產(chǎn)量為234ml·g-1 COD，對濾液COD的去除率達到了64％，但厭氧消化處理并不能夠有效地改善濾液的顏色。
　　綜上，本研究結果表明，在水熱溫度狀態(tài)下利用水熱處理耦合機械壓濾的深度脫水方法，不但能夠顯著地實現(xiàn)對剩余污